SPIRAL ANTENNAS

Saidjon Rakhimov

MIREA-Russian Technological University, Russia, Moscow

Alexey Lazarev

MIREA-Russian Technological University, Russia, Moscow

Аннотация. В статье представлена информация о видах, структуре спиральных антенн. Рассмотрены параметры, влияющие на излучение спиральной антенны: общая длина спирали или внешний радиус, скорость вспышки, структура питания, число витков. Также показана одна из разновидностей спиральных антенн - логопериодическая спиральная антенна.

Abstract. The article presents information about the types and structure of spiral antennas. The parameters that affect the radiation of a spiral antenna are considered: the total length of the spiral or the outer radius, the flash rate, the power structure, and the number of turns. Also shown is one of the varieties of spiral antennas - logoperiodic spiral antenna.

Ключевые слова: спиральные антенны, режимы работы, типология, логопериодическая спиральная антенна, излучение.

Keywords: spiral antennas, operating modes, typology, log-periodic spiral antenna, radiation.

Спиральные антенны были впервые описаны в 1956 г., они имеет форму спирали с двумя рукавами. В микроволновых системах спиральная антенна является разновидностью радиочастотной антенны. Поляризация, диаграмма направленности и импеданс таких антенн остаются неизменными в большой полосе пропускания. Такие антенны по своей природе имеют круговую поляризацию с низким коэффициентом усиления [1, с. 203]. Для увеличения усиления можно использовать массив спиральных антенн. Спиральные антенны - это антенны уменьшенного размера, обмотки которых делают их сравнительно небольшой конструкцией. Спиральные антенны подразделяются на разные типы: архимедова спираль, логарифмическая спираль, квадратная спираль, звездная спираль и т.д.

Обычно антенны могут работать в трех различных режимах: бегущая волна, быстрая волна и вытекающая волна. Спиральные антенны используют все три.

Бегущая волна, сформированная на спиральных рукавах, обеспечивает широкополосную работу. Быстрая волна возникает из-за явления взаимной связи между рукавами спирали. Проходящая волна «забирает» энергию во время распространения по спиральным рукавам, создавая излучение [2, с. 54].

Теория колец (теория полос) объясняет принцип работы спиральной антенны. Теория утверждает, что спиральная антенна излучает из активной области, где окружность спирали равна длине волны.

Антенна обычно имеет два проводящих спиральных рукава, идущих от центра наружу. Направление вращения спирали определяет направление поляризации антенны. Также могут быть включены дополнительные спирали для образования многоспиральной структуры. Антенна может представлять собой плоский диск с проводниками, напоминающими пару свободно вложенных часовых пружин, или спирали с трехмерной формой, как винтовая резьба.

Выход двух- или четырехлепестковой спиральной антенны представляет собой симметричную линию. Если требуется одна входная или выходная линия - например, заземленная коаксиальная линия - тогда добавляется симметричный трансформатор или другой трансформатор, чтобы изменить электрический режим сигнала.

Обычно спираль имеет полость из воздуха, непроводящего материала или вакуума, окруженная проводящими стенками позади спирали. Полость правильной формы и размера изменяет диаграмму направленности антенны для приема и передачи в одном направлении, вдали от полости.

Спираль может быть напечатана или вытравлена ​​на специально выбранной диэлектрической среде, диэлектрическая проницаемость которой может использоваться для изменения частоты для заданного размера.

Логопериодическая спиральная антенна, также известная как равноугольная спиральная антенна, имеет плечо, определяемое полярной функцией [3, с. 21]:

В уравнении R₀ - это константа, которая контролирует начальный радиус спиральной антенны. Параметр «а» управляет скоростью, с которой спиральная антенна расширяется при повороте. На рисунке 1 показан график плоской логопериодической спиральной антенны.

Рисунок 1. Логопериодическая спиральная антенна с C = 1 и a = 0,1.

Планарная спиральная антенна на рисунке 1 имеет направление пикового излучения внутрь и наружу. Спиральная антенна на рисунке 1 излучает поля с правой круговой поляризацией за пределы экрана и поля с левой круговой поляризацией на экран [4, с. 127].

К параметрам, влияющим на излучение спиральной антенны, относятся:

1. Общая длина спирали или внешний радиус (Rspiral) - определяет самую низкую частоту работы спиральной антенны. Самая низкая рабочая частота спиральной антенны наблюдается тогда, когда длина волны равна окружности спирали:

2. Скорость вспышки. Скорость, с которой спираль растет с углом, является скоростью вспышки. Если она слишком большая, спираль плотно оборачивается вокруг себя.

3. Структура питания. Подача должна контролироваться симметрирующим устройством, чтобы спираль имела сбалансированные токи на любом плече. То, насколько плотно можно намотать спираль внутрь себя, определяет, насколько маленькой может быть длина волны, которая будет соответствовать спирали и при этом поддерживать работу спиральной антенны [5, с. 139].

4. Число витков (N) - Число витков спирали также является параметром конструкции. Экспериментально установлено, что спирали с минимум полуворота до 3 витков работают лучше всего.

Излучение происходит от спиральной антенны, когда токи на рукавах спирали синфазны. Поскольку спираль наматывается наружу от центра, для каждой частоты (длины волны) будет существовать область, в которой токи конструктивно складываются и производят излучение. Это излучение снимает энергию с электрического тока спиральной антенны; в результате величина тока спадает с удалением от спиральной антенны. Следовательно, ток от конца спиральной антенны мало отражается. Насколько быстро ток уменьшается по величине при удалении от центра спирали, зависит от геометрии спиральной антенны.

Чтобы уменьшить отражение от конца спирали (что снизит общую эффективность антенны и ее ширину), иногда к концам спиралей прикладывают резистивные нагрузки, чтобы ток не отражался на концах спиральных рукавов.

Спиральные антенны передают радиоволны с круговой поляризацией и принимают волны с линейной поляризацией в любой ориентации, но резко ослабляют сигналы с круговой поляризацией, полученные с противоположным вращением. Спиральная антенна будет отклонять волны с круговой поляризацией одного типа, в то же время прекрасно принимая волны с другой поляризацией.

Спиральных антенны используют в широкополосной связи, мониторинге частотного спектра. Одна антенна может принимать в широкой полосе частот, например, с соотношением 5:1 между максимальной и минимальной частотой. Обычно в этом приложении используется пара спиральных антенн с идентичными параметрами, за исключением противоположной поляризации (одна правая, другая - левая).